Твердотельная електроника / TTE_Lect1

Міністерство освіти і науки України Сумський державний університет

КУРС ЛЕКЦІЙ

з дисципліни «Твердотіла електроніка» для студентів спеціальностей 6.090803 «Електронні системи», 6.090802 «Електронні прилади і пристрої», 6.090804 «Фізична і біомедична електроніка» заочної і денної форм навчання

Суми Вид-во СумДУ

2008

1

ПЕРЕДМОВА

Дисципліна "Твердотіла електроніка" є вступним предметом у циклі промислової електроніки. Детальний розгляд фізичних процесів і напівпровідникових елементах електронних схем і принципів їх списання сприяє розвитку у студентів уміння правильно вибирати ці елементи й режими їх застосування, грамотно експлуатувати напівпровідникову апаратуру. Крім того, дана учбова дисципліна може розглядатись як база до вивчення основ мікроелектроніки і мікросхемотехніки з огляду на аналогію процесів у напівпровідникових інтегральних схемах та дискретних напівпровідникових приладах.

Улекціях даної навчальної дисципліни наведені основні положення фізики напівпровідників і напівпровідникових приладів та їх провідність. Детально розглянуто властивості р-n- переходу та способи його виготовлення.

Унаступних параграфах лекцій розглянуті будова, принцип дії та статичні характеристики біполярних транзисторів. Приділено увагу роботі біполярного транзистора у динамічному режимі. Приведені деякі різновиди біполярних транзисторів.

Поданий аналіз фізичних основ роботи польових транзисторів, їх основних характеристик й основ експлуатації в ключовому та підсилювальному режимах.

Розглянуті також різновиди тиристорів, параметри і характеристики напівпровідникових випромінювачів, фотоприймачів і оптопар. Приділено увагу методам розрахунку теплових режимів і роботі приладів разом з охолоджувачем, а також особливостям роботи при послідовно-паралельному з’єднанні приладів.

При викладанні матеріалу в лекціях паредусім розглядаються фізичні процеси в структурі приладу, які є загальними як для інтегральних, так і для дискретних приладів. Потім проводиться параметризація приладів в основних режимах експлуатації.

Використовується також метод порівняння розглянутих класів напівпровідникових приладів з точки зору їх експлуатації в тому чі іншому режимі.

Лекції з дисципліни “Твердотіла електроніка” призначені насамперед для студентів спеціальності 7.090803 “Електронні системи”, однак вони будуть, безперечно, корисними і для спеціальностей: “Автоматика і управління в технічних системах”; “Фізична електроніка”; “Електронні прилади і пристрої”.

2

ЛЕКЦІЯ 1

ЕЛЕМЕНТИ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ТА ЕЛЕКТРОННОДІРКОВИХ ПЕРЕХОДІВ

1.1 Загальні відомості про напівпровідники

Напівпровідники (НП) – це речовини, що за своїми електричними властивостями займають проміжне положення між провідниками та діелектриками. Питома електропровідність напівпровідників змінюється в межах 10 8 102 см/м, тоді як у металах вона дорівнює 103 104 см/м, а у діелектриках не перевищує 10 12 см/м.

Основна властивість, що відрізняє напівпровідники від інших матеріалів у електричному відношенні, – це істотна залежність питомої електропровідності від температури, концентрації домішок, світлового та іонізуючого випромінювань.

У провідників електрони на зовнішніх оболонках атомів кристалічної решітки (валентні електрони) слабо зв’язані з ядрами, і вони внаслідок щільного перекриття зовнішніх оболонок сусідніх атомів мають змогу вільно переходити від одного атома до іншого. Це зумовлює високу електропровідність провідників.

У напівпровідниках, на відміну від провідників, валентні електрони беруть участь у ковалентному зв’язку між сусідніми атомами решітки, який здійснюється парою електронів (рисунок 1.1). Кількість ковалентних зв’язків атома із сусідніми атомами дорівнює валентності.

Чистими (бездомішковими) напівпровідниками є чотиривалентні германій Ge та кремній Si, елементи 4 групи періодичної таблиці. Тому кількість ковалентних пар електронів у атомах цих речовин – 4, як це показано на рисунку 1.1 для германію.

Енергетична діаграма бездомішкового НП показана на рисунку 1.2 для випадку Т=0. Вона ілюструє той факт, що в ході утворення кристалічної решітки між атомами виникає сильна взаємодія, яка приводить до розщеплення енергетичних рівнів у атомі. Кожній орбіті відповідає своє дискретне значення енергії електрона. Сукупність енергетичних рівнів, що виникають під час зближення атомів,

3

називають енергетичною зоною. Кожна зона містить у собі N підрівнів (N – кількість взаємодіючих атомів у одиниці об’єму). На рисунку 1.2 такі зони (дозволені зони) мають назву: ВЗ – валентна зона – це зона, в якій при Т=0 всі енергетичні рівні заповнені; ЗП – зона провідності – зона, в якій при Т=0 електрони відсутні. Дозволені зони відокремлені

одна від одної забороненою зоною (ЗЗ) – зоною, що утворена енергетичними рівнями, які не можуть бути заповнені електронами атомів даної речовини.

Ширина ЗЗ – це важливий параметр, що визначає електричні властивості твердого тіла. У металів ширина ЗЗ W 0, у

напівпровідників – W 3eB , у діелектриків - W 3eB .

Отже, при абсолютній температурі Т=0 в бездомішковому НП всі без винятку електрони беруть участь у ковалентних зв’язках між атомами, вільні носії заряду відсутні (ЗП не заповнена).

1.1.1 Власна електропровідність напівпровідників При збільшенні температури (Т>0) деякі валентні електрони

отримують енергію, якої вистачає, щоб розірвати ковалентний зв’язок (рисунок 1.3а).

Унаслідок цього у міжатомному зв’язку виникає одиничний заряд – дірка. На енергетичній діаграмі НП це явище супроводжується виникненням вільного енергетичного рівня (рис. 1.3б).

4

Рисунок 1.3 – Механізм власної провідності НП: а – кристалічна решітка при Т>0; б – енергетична діаграма

На місце утвореного розриву ковалентного зв’язку (вільний рівень у ВЗ) може перейти електрон із сусідньої ковалентної пари, і тоді відбудеться “заповнення” місця попереднього розриву й утворення дірки у новому місці.

Це рівносильне переміщенню дірки. Таким чином, у чистому бездомішковому НП утворюються вільні носії заряду – електрони і дірки, тобто відбувається генерація вільних носіїв.

Крім збільшення температури, причиною генерації носіїв може бути освітлення напівпровідника. Генерація супроводжується зворотним процесом – рекомбінацією. Рекомбінація – це відновлення ковалентного зв’язку, утворення при зіткненні пари електрон-дірка нейтрального атома.

На енергетичній діаграмі процес рекомбінації відповідає поверненню електрона з ЗП назад до ВЗ. При встановленні теплової рівноваги процеси генерації та рекомбінації компенсують один одного, і при температурі у НП утворюється певна концентрація вільних електронів ni і вільних дірок рі заповнених рівнів у зоні провідності. Ці концентрації можна визначити за формулою

де W – ширина забороненої зони (тобто енергія, яку треба віддати валентному електрону, щоб він став вільним носієм заряду), k=1,38* 10-23Дж/К – стала Больцмана, А – коефіцієнт пропорційності,

5

що залежить від матеріалу напівпровідника (А=5*1019см-3 для германію; А=2*1020см-3 для кремнію).

Індекс у позначеннях власних концентрацій носіїв ni та рі походить від англійського слова intrinsic – притаманний.

Із формули (1.1) випливає, що концентрація носіїв заряду, а отже, і власна електропровідність напівпровідника будуть тим більші, чим більша температура і чим вужча заборонена зона. Для найбільш поширених напівпровідників ширина ЗЗ дорівнює: для германіюW=0,72 еВ; для кремнію W=1,12 еВ; для арсеніду галію (GaAs)

W=1,41 еВ.

На рисунку 1.3б рівень Wі, збіжний із серединою ЗЗ, - це рівень Фермі. Як відомо з фізики, цей рівень відповідає енергетичному рівню, на якому електрон з’являється з ймовірністю, що дорівнює 0,5.

1.1.2 Домішкова провідність напівпровідників Наявність домішок у структурі напівпровідника істотно

змінюють його провідність. Залежно від того, атоми якої хімічної речовини будуть введені в кристал, можна отримати перевагу збиткових електронів або дірок, а також отримати напівпровідник з електронною або дірковою провідністю.

Провідність, яка спричинена присутністю в кристалі напівпровідника домішок із атомів з іншою валентністю, називають домішковою. Домішки, які зумовлюють у напівпровіднику збільшення вільних електронів, називають донорними, а ті, які спричинюють збільшення дірок, – акцепторними.

1.1.2.1 Електронна провідність напівпровідників Цей різновид провідності здійснюється завдяки введенню у

4-валентний НП (германій або кремній) 5-валентних атомів домішок (фосфор Р, сурма Sb, або миш як As), які називаються донорними домішками (лат. donar – той, що віддає). Схема кристалічної решітки з донорними домішками показана на рисунку 1.4а, відповідна енергетична діаграма – на рисунку 1.4б.

6

Рисунок 1.4 – Механізм електронної провідності НП: а – схема кристалічної решітки з донорними домішковими атомами; б – енергетична діаграма

5-ти валентний електрон атома домішок, який не бере участі у ковалентних зв язках, має дуже незначну ( порівняно з ковалентними електронами) енергію зв язку з ядром атома.

Під дією незначної енергії, яку називають енергією активації донорів WД (її величина невелика порівняно з шириною забороненої зони, як показано на енергетичній діаграмі, рисунок 1.4б), електрон стає вільним. Атоми домішок перетворюються на позитивні іони. Ці іони нерухомі, міцно зв язані з кристалічною решіткою і не беруть участі у створені електричного струму в НП. Завдяки малій енергії активації ( WД=0,16 еВ) для кремнію з домішками,WД=(0,01……0,13) еВ для германію з домішками навіть при кімнатній температурі відбувається повна іонізація 5-валентних атомів, яка супроводжується заповненням зони провідності вільними електронами (рисунок 1.4б). Вільні електрони у ЗП можуть з являтися і внаслідок дії механізму власної провідності, як у бездомішкових НП. Але ймовірність цього набагато нижча, ніж імовірність процесу активізації домішок. Тому у ЗП зосереджується набагато більше вільних електронів, ніж є дірок у ВЗ, оскільки іонізація донорного атома не супроводжується утворенням дірки.

Отже, в НП з донорними домішками концентрація вільних електронів набагато перевищує концентрацію дірок. Символічно це

7

записується так: у стані термодинамічної рівноваги nn0>>pn0, де nn0 – рівноважна концентрація електронів у НП донорного типу (n-типу); pn0 – рівноважна концентрація дірок у НП (p-типу). Електрони є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Концентрація електронів у НП n-типу може бути визначена за формулою

де NД – концентрація атомів донорних домішок;

ni – концентрація електронів унаслідок дії власної провідності

НП.

Рівень Фермі у донорному НП зміщується у верхню половину ЗЗ. Його положення залежить від концентрації донорів NД (рівень Фермі зі збільшенням NД наближається до ЗП).

1.1.3 Діркова провідність напівпровідників Цей тип провідності здійснюється завдяки введенню у

4-валентний НП 3-валентних атомів гелію Ga або індію In. У домішкових атомів не вистачає одного електрона для створення ковалентного зв язку, і нестача може бути компенсована за допомогою електрона, звільненого внаслідок розриву ковалентного зв язку у 4-валентному атомі кристалічної решітки. Домішки такого типу називаються акцепторними (лат. acceptor – той, що отримує), бо вони отримують електрони, вирвані з валентної зони. При цьому у ВЗ створюється вільний рівень – дірка (рисунок 1.5а,б).

Оскільки поява дірок у ВЗ для акцепторного НП здебільшого не супроводжується збільшенням числа електронів у ЗП, то дірок у НП стає набагато більше. Дірки у такому НП є основними носіями, електрони, кількість яких у кристалі незначна, є неосновними носіями. Енергія активації акцепторів WА=(0,04…0,16) еВ для кремнію,WА=(0,01…0,12) еВ для германію. Акцепторний НП називають напівпровідником р-типу.

Концентрацію дірок у акцепторному НП знаходять за формулою

де NА – концентрація атомів акцепторних домішок; Рі – власна концентрація дірок, Рі= Nі.

8

Рисунок 1.5 – Механізм діркової провідності НП: а – схема кристалічної решітки; б – енергетична діаграма

Рівень Фермі в акцепторному НП зміщується у нижню половину ЗЗ, причому його енергетична відстань від ВЗ зменшується зі збільшенням концентрації акцепторів NА.

Існує загальна закономірність для домішкових напівпровідників

З (1.4) можна зробити висновок: введення в НП домішок приводить до збільшення концентрації носіїв заряду одного знака і до пропорційного зменшення концентрації інших носіїв завдяки зростанню ймовірності їх рекомбінації.

1.1.4Види струмів у напівпровідниках

Унапівпровідниках розрізняють дрейфовий та дифузійний

струми.

Причиною дрейфового струму є дія на НП електричного поля. Внаслідок зіткнення носіїв, що рухаються під дією електричного поля, з атомами решітки їх рух має уривчастий характер. Цей рух характеризується рухомістю

9

де U - середня швидкість носія;

Е - напруженість електричного поля.

Звичайно рухомість у електронів вища, ніж у дірок ( n P ).

Ця величина залежить від температури (з підвищенням температури рухливість зменшується внаслідок того, що зростає хаотичність руху носіїв, як це показано на рисунку 1.7), а також від концентрації домішок.

Рисунок 1.7 – Залежність рухомостей електронів n та дірок

P від температури

Як правило у розрахунках беруть наступні значення рухливостей носіїв при Т=300К: для германію n =3900см2 /В с, P =1900см2 /В с,

для кремнію n =1350см2 /В с, P =430см2 /В с.

Густина електричного струму у НП

де q 1,6 10 19 Кл – заряд електрона; n- концентрація електронів;

Un - середня швидкість електронів. 10